JP2555899B2

JP2555899B2 - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2555899B2
Application number: JP2024114A
Authority: JP
Inventors: 恵三山田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1996-11-20
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: JPH03229160A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は加速度を検出するために用いられる半導体装
置に関する。

〔従来の技術〕

従来から小型軽量の利点を生かして、種々の半導体加
速度センサが作製されている。半導体加速度センサは、
第９図に示すように加速度を検出するための重り４、被
測定対象に接続するための支持部５、更に重り４と支持
部５を接続するための片持ち梁１を有している。第10図
は片持ち梁１、重り４、支持部５を拡大した図である。
歪み抵抗10が片持ち梁１のつけ根の部分に形成されてい
る。通常、梁はシリコンの単結晶もしくはポリシリコン
から出来ている。それらの３つを連結した建造物は、あ
る種の共鳴構造を有しており、特定の周波数において共
振を起こす性質がある。このため、入力される加速度信
号のスペクトラム中に共振周波数と同じ周波数が存在す
ると、共鳴が起こって大振幅の振動となり、梁を破壊す
ると言う問題点がある。また加速度センサにおいては、
外から加えられた加速度信号を忠実に電気信号に変換す
ることが重要であるが、梁の共振に起因して不要な疑似
信号を発生するという問題もある。そのため、従来は、
シリコンの梁をシリコンオイルの様なダンピング液に漬
ける、または第９図に示すように加速度センサ全体をダ
ンピング材３で梱包する、などの方法で大きな減衰作用
を持たせたり、加速度センサのパッケージにダンピング
作用を持たせて、入力される加速度信号中で梁の共振周
波数に一致するような、周波数を低減する方法などが行
われていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の技術では、粘性の高い液体を封入したり、種々
のダンピング材を加速度センサのパッケージに、新たに
取り付けるために、カンチレバーの共振での破壊は押さ
えられるものの、一方で通常動作時の感度が低下してし
まう。衝撃が入力された場合の過渡応答特性が悪くなる
傾向が生じた。また、ダンピング液封入の為の、特殊な
パッケージが必要であったり、ダンピング材の取り付け
など、新たな組み立て工程が発生しコストの増大にもつ
ながっていた。さらに、加速度センサの大きさの増大を
招いたり、重くなるといった数々の問題があった。

本発明の目的は軽量でしかも通常動作時の感度を低下
させずに梁の共振を抑えることのできる半導体加速度セ
ンサを提供することにある。

〔課題を解決するための手段）本発明は、加速度に追随して動く梁を有する半導体加
速度センサにおいて、梁の少なくとも一部分にハニカム
状に穴を設けたことを特徴とする半導体加速度センサで
ある。

ハニカム状に穴を設けた場所はそのままにしておいて
もよいし、皮膜で被うかもしくは内部損失を生じる材料
を穴の中に形成するか、少なくともいずれか一方の手段
を施してもよい。

（作用）本発明の目的を達成するためには、前述の梁の共振に
よる不要な振動や過大な振動を効果的に減衰するような
性質を持った材料を半導体の梁に取り付けることが有効
な手段である。この場合、加速度の測定に必要とされ
る、比較的低域の周波数成分に対しては大きな減衰を持
たなくて、高い周波数成分に対して有効に減衰特性を持
つような材料が要求される。しかし、梁自身が非常に柔
らかいものでは、機械的強度に劣ったり、広いダイナミ
ックレンジをとれない、などの問題が生じる。またこの
様な場合には、梁自身が、過渡に振動を吸収してしま
い、加速度の検出感度が減少する。従って、梁に要求さ
れる理想的な機械特性としては、ヤング率が適当に高
く、しかも、材料内での内部損失が大きいような物が最
適である。従来より音響機器、特にピアノなどの高級な
楽器には、良く乾燥したスプルースなどの木材が使用さ
れることが多い。乾燥した木材はハニカム状の構造を持
ち、非常に軽量でありながら、ヤング率が高く、しか
も、内部損失を大きくすることが可能であり、特に高音
の吸収を効率的に行うことが出来るためである。本発明
においては、この特性を半導体に応用し、半導体の梁表
面をハニカム状に開口することにより、梁の内部損失を
増大させることが可能で、梁に生じる共振を抑制し、半
導体加速度センサの過渡特性を向上させることが出来
る。

更に、ハニカムは通常、空気などの密閉構造がある
と、有効に内部損失を高く出来る。また、ハニカム状の
穴に高分子、多孔質の無機材料などをいれることによっ
て、梁の共振周波数に匹敵するような高い周波数領域の
加速度入力信号を有効に吸収するのに十分な内部損失を
持たせることが可能である。通常多孔質の材料が大きな
内部損失を有する理由としては、多孔質では、原子の摩
擦が大きく、振動を有効に熱に変換できること、さらに
は、単位堆積当たりの重量に対するダンピング率を高め
ることになるため、大きなダンピング効果が得られる為
と考えられている。

（実施例）第１図に、本発明の実施例を示した。シリコン単結晶
基板からなる支持部と、基板をエッチングして作られる
片持ち梁１と重りを有していて、基板面と垂直な方向の
加速度を検知する。本実施例では片持ち梁１の表面側か
ら裏側まで貫通した四角形のハニカム２を片持ち梁１の
全面に整然と設けている。歪み抵抗10は通常と同じく、
支持部５と片持ち梁１の境の近くの片持ち梁１上に、長
辺を片持ち梁の長さ方向とそろえてハニカム２の間に配
置した。加速度センサを構成する材料として、結晶主面
を（100）面であるようなシリコン単結晶基板を用いた
場合には、歪み抵抗を設置する方向は、通常＜110＞軸
に平行な方向とそれに直角な方向である。ハニカム２は
整然とでなくランダムに配置してもよいが半導体加速度
センサの通常の作り方に従えば、歪み抵抗をイオン注入
等で形成してから位置合わせしてハニカムを開孔するの
で、位置合わせ（目合わせ）が楽なように四角形のハニ
カム２と長方形の歪み抵抗10は梁の長さ方向に平行に整
然と配置した方がよい。

第２図は、別の実施例である、六角形の形の穴を空け
た場合を示している。この場合には用いるシリコン（11
0）面であるような場合に有効である。シリコン（110）
面を主面とする場合には通常＜111＞軸に平行な方向に
歪抵抗体を設置する。その場合、同一平面状に存在する
＜111＞軸は直角には交わらないため、六角形を用いれ
ば、その辺に平行になるように歪み抵抗体を設置するこ
とが可能であり、設計上でハニカムの方向を気にしなく
て済む。更に、歪み抵抗体が設置されている場所まで全
ての場所に、ハニカムを効率良く、最密に作製すること
が可能である。この様に穴の形、大きさ、数はゲージの
配置場所などを考慮して、必要に応じて変えることが出
来る。

ハニカムは、開口された孔の壁面が垂直である方が、
より多くのハニカム部分を設けることが出来るため望ま
しいが、異方性エッチングの技術を用いれば容易に垂直
の開口部が得られる。例えば、用いた基板が（110）面
の単結晶シリコン基板であるならば、＜111＞軸に平行
になるように適当なマスク材料を用いて、エッチングの
パターンを形成すれば、ヒドラジンや、KOHなどのエッ
チング溶液にて壁面が垂直なハニカムを得ることが出来
る。同様に異方性エッチングの出来る、気相のエッチン
グ装置を用いても可能であり、その場合には、面方位に
無関係に垂直の任意形状の穴を空けることが可能であ
る。勿論穴が垂直でなくてもよい。ハニカムの穴は梁を
貫通してしまっていても、梁の部分の厚みに相当する程
度に深い穴をくり抜く程度に深くしても良いし、途中で
止めてもよい。貫通している穴としていない穴が共存し
ていてもよい。穴が貫通していなければ、空気によるダ
ンピングがかかり易い。ハニカムの大きさや個数によっ
て、内部損失の周波数特性が変化するため、種々の大き
さや深さあるいは形をしたハニカムを適当に組み合せて
１つの梁の中に作り込むことによって、最適な内部損失
特性を有するハニカムを得ることが可能である。第１
図、第２図では、シリコンの梁全面にハニカムを設けた
場合を示したが、シリコンの梁の一部分にだけハニカム
形成してもある程度内部損失を向上させることはでき
る。例えば第３図のように歪み抵抗10の周囲だけ、に形
成してもよいし、重り４の近傍だけでもよい。なるべく
重りや支持部に近い部分に設けると効果的である。なお
第１、第２図の例ではハニカムの穴を整然と形成しその
すき間に歪み抵抗を設けているが、第３図の例では歪み
抵抗を形成する場所にはハニカムの穴はなく、その周囲
にハニカムを形成している。このような配置方法でもか
まわない。

以上説明したように、梁に開口することにより、梁の
強度を維持したまま梁を軽くすることが可能である。こ
れにより、梁の共振周波数を同じ大きさのままで上昇さ
せることが可能である。更に、穴を貫通させない場合に
は、梁の変位だけを問題にする容量型加速度センサにも
適用でき、それらの衝撃に対する信頼性を向上させるこ
とが可能である。なお梁の材料は単結晶シリコンに限ら
ずポリシリコンでもよいし、GaAs、絶縁体等も使うこと
ができる。

また第１〜３図の実施例では梁は片持ち梁だけを示し
たが、両持ち梁等梁が複数ある場合にも適用可能であ
る。

また第１、第２図は梁の振動方向が半導体基板表面に
垂直な場合であるが、特開平−１−169366号公報や特開
昭60−159658号公報に示されるような場合、つまり梁が
基板面と平行な方向に振動するような場合にも本発明は
適用できる。

また第１〜３図では加速度センサの構造として、重り
を中心に配置しその周囲に支持部分を置き、両者を梁で
つなぐ構造について示した。本出願人は、第４〜第７図
に示すようにこれと逆の構造、つまり中心を支持部５と
し、その周囲に重り４を配置し両者を梁31でつなぎ従来
より感度を高くするという構造の加速度センサを提案し
ている（特願昭63−248058,248066,248067,273660号明
細書）。このような構造の加速度センサに対しても本願
発明は適用でき、第１〜３図の実施例と同じように梁に
ハニカムを形成すればよい。なおこのセンサは第４図
（ｂ）（側面から見た図）に示すように中心の支持部５
を、突出部のある台座20に固定するかまたは重り４を少
し削ることで、重り４が振動するためのスペースを設け
ている。図中15はボンディング等で外部と電気的に接続
をとるためのアルミパッドである。第５図は歪抵抗10を
梁31と支持部５の境、梁31と重り４の境にそれぞれ二つ
ずつ設け、全ての抵抗が加速度入力に対して可変となる
ような抵抗体フルブリッジを形成した例である。第４、
第５図では片持ち梁のみ示したが、梁を複数にしてひね
りのモーメントに対して強くすることもできる。第６図
は第４、第５図と逆に梁31の厚みを幅よりずっと大きく
した例である。こうすると回転の加速度や梁の幅方向の
加速度を測ることができる。

第７図（ａ），（ｂ）は容量型のセンサである。重り
４のパッケージの一部30に対向する面を不純物拡散や金
属の蒸着等で導電体とし、重り４と対向するパッケージ
の一部30も導電体とし、台座20を絶縁体として容量キャ
パシタを形成する。容量型の場合も梁を２本以上にする
こともできる。

また、上記開口部を皮膜で被うか、高分子などの、ゴ
ム弾性の高い樹脂類もしくは多孔質の無機物質あるいは
粘性液体で埋め込む、あるいはその両方を施すことによ
って更に、梁の内部損失を高めることが可能となる。第
８図にその実施例である、樹脂を埋め込んだ場合につい
ての梁の様子を示した。この構造は、前述の実施例にお
いて開口した適当なディスペンサーを用いて、梁表面に
樹脂を塗布する事によって得られる。塗布の方法として
は、通常のレジストと同様に、スピナーを用いてもよい
し、高分子の蒸着法や電着塗装を用いてもよい。また水
槽に張られた適当な厚さの高分子薄膜を、機械的にすく
いとってハニカム状に穴を設けた場所にLB膜の皮膜を形
成しても構わない。高分子の材料として、感光性の材料
例えば光硬化型の材料を用いたり、電解重合膜を用いる
と、パターニングをすることが容易であり、任意の場所
に必要なだけの厚みを持った膜を容易に形成することが
可能である。なお、高分子は内部損失に温度依存性があ
る。高分子の種類によっては温度変化の大きな場所で使
うときなどに問題となることがありうる。そのときは例
えば、ポーラスなSiO₂やポーラスなSi、多孔質アルミニ
ウム、炭素等の無機材料を使うとよい。無機材料を用い
た場合には、温度に対して依存性の小さな内部損失材料
を得ることが可能である。又、内部損失は結晶のずれ
や、薄膜間の摩擦が大きな場合にも、表れる現象である
ため、鉛や錫などの一般に防振金属として知られるてい
る金属、あるいは、性質の異なった膜を多層にしたもの
を用いても同様な効果が期待できる。粘性液体を封入す
る場合には、マイクロカプセルなどを用いると、上記樹
脂の場合と同様の取り扱いによって、容易に実現でき
る。

なお、第８図にはハニカム２の穴をダンピング材３で
完全に埋めこみしかも表面を平坦にした例を示したが、
これに限らず、ダンピング材が穴の途中までしか埋まっ
ていない例や表面まで埋まっていても穴があいている例
や、穴を埋めしかも盛りあがっている例なども本発明に
含まれる。また皮膜としてLB膜を用いた例を示したが、
他の材料でもよい。皮膜の形成は梁の表側だけでも、裏
側だけでもよいが両面に形成して空気をとじこめると片
面だけの場合より、内部損失が高くなる。

（発明の効果）本発明では、従来より梁の共振による破壊を防ぐため
に用いられていた、種々のダンピング材を多量に用いる
ことを無しに、梁自身の内部損失のみを有効に大きくす
ることによって、梁の共振による破壊を防ぐことが可能
である。このため、従来ダンピング材の重量の分だけ増
加していたセンサの重量を減らすことが出来る。また有
効にダンピングが掛けられるため、加速度センサの周波
数特性が改善される。梁にハニカム状に穴を設けること
は、梁を細くしたのと同じ効果つまり梁と重りからなる
系の重さが同じでも加速度検出感度が上昇するという効
果もある。また梁にハニカム状に穴を設けることは、梁
の材料である半導体を間引きしていることになるため、
梁の幅を広くして横感度を小さくすることができる。安
定した梁を作製することが、可能となる。従来構造の梁
を二本使っておもりを支持しても横感度を小さくできる
が、本発明はこの場合より作りやすく、しかも梁の強度
を高く出来るため、信頼性が向上するなどの利点があ
る。また高分子、多孔質材料などのダンピング材をハニ
カム状の穴の中というきわめて小さな場所にしか使わな
いため、ダンピング材の使用量も従来に比較して非常に
少ない量で済む、そのためコストが低減でき効率的であ
る。また適当なダンピング材の複合的な使用によって、
目的にあった温度範囲における、温度特性の良いダンピ
ング効果を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の実施例を示した斜視概略図で
ある。第９図は従来のパッケージ構造の断面図である。
第10図は従来のセンサ素子の構造を示した斜視図であ
る。図において、１…片持ち梁、２…ハニカム、３…ダンピ
ング材、４…重り、５…支持部分、６…パッケージ、31
…梁。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度に追随して動く梁を有する半導体加
速度センサにおいて、梁の少なくとも一部分にハニカム
状に穴を設けたことを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】ハニカム状の穴を皮膜で被うか、もしくは
内部損失を生じる材料を穴の中に形成するか、少なくと
もいずれか一方の手段を施したことを特徴とする請求項
１記載の半導体加速度センサ。